molekulatömeg, egy anyag molekulájának tömege atomi tömegegységben (amu) kifejezve. A molekulatömeg az anyag molekuláris képletéből számítható; a molekulát alkotó atomok atomtömegének összege. Például a víz molekuláris képlete H2O, ami azt jelzi, hogy egy vízmolekulában két atom hidrogén és egy atom oxigén található. Három tizedesjegyre kerekítve a hidrogén atomtömege 1,008 amu, az oxigéné pedig 15,999 amu. A víz molekulatömege tehát (21,008)+(115,999)=2,016+15,999=18,015 amu. Mivel az atomsúlyok átlagértékek, a molekulatömegek is átlagértékek. Egy közönséges vízmolekula átlagosan 18,015 amu súlyú. A hidrogén és az oxigén is több izotópból áll. A hidrogén egyik izotópja a deutérium, vagyis a nehézhidrogén. A deutérium atomjai körülbelül kétszer akkora tömegűek, mint a közönséges vízben lévő összes hidrogénatom átlaga. Ezért a csak deutériumatomokat tartalmazó víznek, az úgynevezett nehézvíznek nagyobb a molekulatömege, mint a közönséges víznek. Egyes anyagok, különösen az ionos vegyületek, mint például a konyhasó, nem molekulákból állnak, és így sem molekuláris képletük, sem molekulatömegük nincs.

Az anyagok molekulatömege kísérletileg többféleképpen is meghatározható, az alkalmazott módszer általában az anyag állapotától (szilárd, folyékony vagy gáz) függ. A gáznemű anyagok molekulatömegének meghatározására szolgáló módszerek az Avogadro-törvényen alapulnak, amely kimondja, hogy adott hőmérsékleti és nyomásviszonyok mellett bármely gáz adott térfogata a gáz meghatározott számú molekuláját tartalmazza; így a különböző gázok azonos hőmérséklet- és nyomásviszonyok mellett azonos térfogatok tömegének összehasonlítása egyenértékű a gázok molekulatömegének közvetlen összehasonlításával. Az általában nem gáznemű és bomlás nélkül el nem párolgó anyagok molekulatömegét néha valamilyen oldószer olvadáspontjára, forráspontjára, gőznyomására vagy ozmotikus nyomására gyakorolt hatásukból határozzák meg (lásd kolligatív tulajdonságok). Ha azonban az anyag ionizálódik vagy nem válik szét teljesen molekulákra, az így meghatározott molekulatömeg hibás lesz. A nagy pontosságú molekulatömegeket néha tömegspektrográf segítségével határozzák meg.

Egyes anyagok, pl. fehérjék, vírusok és bizonyos szintetikus polimerek, nagyon nagy molekulatömeggel rendelkeznek. Ezek a molekulatömegek meghatározhatók az ülepedési sebesség ultracentrifugában történő mérésével, fényszórásos fotometriával vagy más módszerekkel. A módszerek eltérő eredményeket adhatnak, mivel általában egy anyag, például egy polimer molekulái nem mind pontosan azonos molekulatömegűek. Ezek a módszerek a mintában lévő molekulák átlagos molekulatömegét határozzák meg. Az ultracentrifugás módszerrel meghatározott szám-átlagos molekulatömeg olyan értéket ad, amely egyenlő a minta tömegének és a mintában lévő molekulák számának hányadosával. Ez a szám-átlagos molekulatömeg más, a kolligatív tulajdonságok mérésén alapuló módszerekkel is meghatározható. A fényszórásos módszer az úgynevezett súlyátlag molekulatömeget határozza meg. Bár ez az érték megegyezhet a szám-átlag molekulatömeggel, ha az összes molekula közel azonos tömegű, magasabb lesz, ha egyes molekulák nehezebbek, mint mások.